Лекыция № 1. Тема. Современное состояние горного производства. Образование горных пород и их классификация по происхождению

ЛЕКЦИЯ № 1

Тема. Современное состояние горного производства. Образование горных пород и их классификация по происхождению

План

1.        Современное состояние горного производства.

2.        Образование горных пород и их классификация по происхождению.

СОДЕРЖАНИЕ  ЛЕКЦИИ

Современное состояние горного производства

Новые пути исследований и соответствующая их переориентация на сохранение недр Земли, комплексность и экологическая сбалансированность освоения всего многообразия георесурсов открывают широкие возможности для реализации наиболее прогрессивных идей по совершенствованию горного производства. Новый подход к горным наукам предполагает: переход от взгляда на недра как на систему месторождений полезных ископаемых к интерпретации недр как средоточия генетически и пространственно взаимосвязанных разнообразных георесурсов; отказ от представления об исчерпаемости недр и осознание их как комплексного ресурса жизнедеятельности, связанного с развитием общественных потребностей, с постоянно обновляемой возможностью использования его в новом качестве; отказ от понимания горных технологий лишь как средств по добыче и переработке полезных ископаемых и переход к представлению об их общих, ресурсовоспроизводящих функциях; переход от фрагментарного изучения горных объектов и процессов к установлению закономерностей взаимодействия различных природных и техногенных геосистем; переход от использования недр лишь для добычи и утилизации полезных ископаемых к сохранению недр в ходе их комплексного освоения (с воссозданием и увеличением разнообразия их полезных качеств); отказ в целом от технократической ориентации горных наук.

Содержание современных горных наук требует исследований в целом ряде новых научных направлений, среди которых важнейшими являются:

создание научных основ оценки недр Земли как целостного природного ресурса жизнеобеспечения, важнейших параметров их состояния и характеристик качества земных ресурсов; разработка принципов, теории, методологии и новых методов проектирования и планирования экологически безопасного (сбалансированного) освоения недр Земли с целенаправленным воссозданием в новом функциональном назначении; изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций горного производства, создание теоретической базы технологий и технических средств для изменения состояния недр, свойств минеральных сред и качества ресурсов Земли при комплексном экологически безопасном их освоении и сохранении; создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования при освоении недр; системный прогноз освоения ресурсов недр Земли и изменения их состояния в связи с развитием общественных потребностей и технологического уклада экономики; разработка теории и методов мониторинга недр как комплексного ресурса с учетом техногенных изменений в их состоянии и различных направлений использования; развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений в области освоения недр и их сохранения.

Горная технология – совокупность приемов и способов изменения природного состояния недр Земли с целью получения минеральных продуктов или использования подземного пространства. Это способ соединения человека со средствами производства и природной средой в сфере производительных сил. Все вопросы, связанные с планированием, эксплуатацией и экологическими последствиями горного производства рассматриваются как система воздействий на природную среду. Для описания ее состояния используется теория технической системы. Теория системы подземной разработки месторождений полезных ископаемых конкретизирует общую теорию способов, классов и видов технических систем. Она основывается на фундаментальных науках: физике, химии, математики, теории систем, экономики, эргономики и логики. Определяет порядок горным дисциплинам, которые необходимы при подготовке горного техника. В них уточняются положения общей теории технической системы применительно к подземной разработке месторождений полезных ископаемых:

выявляются закономерности, справедливые для всех способов подземной разработки месторождений, что позволяет переносить опыт на другие производственные объекты; разрабатывается общий подход к производственной деятельности, не связанный с конкретным объектом или видом горной техники, объединяя все объекты техники в класс технологических схем; учат трактовать любую техническую проблему целостно, что очень важно в проектировании технологической схемы горного предприятия или ее отдельного звена; создают прочную связь производства с наукой за счет использования программного материала на компьютерах.

Технология горного производства классифицируется по виду природной среды, подвергаемой воздействию, способу воздействия на природную среду, способу ведения горных работ, их функциональной направленности, виду добываемого полезного ископаемого (рис. 1.1). Вид добываемого полезного ископаемого, его связывающее состояние и морфологические особенности месторождений определяют конкретные технологические решения.

Технологическую систему подземной добычи полезных ископаемых представляют производственные и рабочие процессы. Они реализуются по горным выработкам, очистным и подготовительным забоям. Ее отличают сложные структурные связи технологических элементов, звеньев и объектов, а также динамичность, которая заключается в дискретно-непрерывном изменении технологической системы во времени и пространстве (перемещение очистных и подготовительных забоев, изменение сети вентиляционных и транспортных выработок).

Типы систем технологии устанавливаются в зависимости от функциональной направленности горного производства для определенного вида добываемого полезного ископаемого. В основе деления на типы систем находятся форма, размеры и глубина залегания полезных ископаемых в массиве горных пород. Основой технологической схемы горного производства является взаимосвязанное решение вопросов вскрытия, подготовки шахтного поля, системы разработки и механизации очистных работ, транспорта, вентиляции, электроснабжения, водоотлива, материального снабжения, сбыта продукции, поддержания горных выработок.

Классификация технологических схем отражает принципы формирования грузопотоков при подземной разработке месторождений (рис. 1.2) и определяется основными критериями: наличием полезных ископаемых нескольких сортов; производственной мощностью шахты; параметрами выемочной единицы; очередностью отработки отдельных участков месторождения (шахтного поля); особенностями использования выработанного пространства; типом применяемой механизации и горного оборудования.

Рисунок 1.1. Классификация технологии горного производства

Рисунок 1.2. Классификация технологических схем

Образование горных пород и их классификация по происхождению

Поверхность Земли примерно за 4-5 млрд. лет прошла три стадии: газообразного, жидкого и твёрдого состояния. Земной шар состоит из нескольких концентрических оболочек-геосфер. Наиболее отчётливо выделяются три: земная кора, мантия и ядро.

Толщина земной коры (литосферы) в океанах составляет около 5 км, а на материках – 70 км. Он кажется тонкой пленкой – в среднем её толщина составляет всего 0,6% от длины земного радиуса. Под литосферой до глубины 2900 км располагается мантия. В её верхних слоях вещество находится в твёрдожидком состоянии с плотностью 3,3 г/см3. В интервале глубин от 900 до 2900 км вещество уплотняется и его плотность достигает  6-9 г/см3. Ядро Земли охватывает всю внутреннюю область с глубины  2900 км. Вещество ядра напоминает густой, вязкий материал плотностью до 13 г/см3. Внутренняя часть ядра представлена железоникелевым соединением, а внешняя – сложена сверхплотными силикатами с высоким содержанием железа и никеля.

Участки земной коры, характеризующиеся общими условиями образования и определенными инженерно-геологическими свойствами горных пород называют массивами горных пород. Массивы отличаются особенностями залегания и степенью нарушенности (трещиноватостью и блочностью) пород; минералогическим составом, структурой, текстурой и пористостью; наличием жидких и газообразных веществ (воды, нефти, рассолов, метана и др.); показателями геомеханического состояния (напряжения и деформации гравитационного, тектонического и техногенного происхождения).

Характеристики состояний и свойства пород массива определяют условия ведения горных работ и являются основой для проектирования. Выделяются первичные структурные формы, образованные одновременно с формированием пород в процессе кристаллизации, и вторичные, или нарушенные, возникшие в результате деформационных преобразований первичных структур под воздействием различных внешних или внутренних условий.

Морфологические особенности горных пород характеризуются структурой и текстурой. Структура горных пород – характеристика степени кристалличности, зависящей от размера и формы слагающих их минеральных зерен, их взаимоотношений друг с другом и с вулканическим стеклом. Текстура горных пород – характеристика степени и особенностей неоднородности пород, проявляющейся в форме, взаимном расположении и ориентировке минеральных агрегатов или стекловатых составных частей.

Вторичными структурными формами породного массива являются слои, складки, трещины, разрывные нарушения со смещениями (сбросы, сдвиги, надвиги) тела магматического происхождения.

Участки земной коры, ограниченные разломами, представляют собой тектонические блоки. Крупные разломы нередко служат границами шахтных полей, внутри которых выделяются более мелкие блоки. В плане они имеют вид вытянутых или изометрических многоугольников.  При горнопромышленной деятельности предметом труда служат горные породы и минералы, которые находятся в литосфере (рис. 1.1).

Горные породы – природные минеральные агрегаты, слагающие земную кору в виде самостоятельных геологических тел. В химическом составе земной коры наибольшую долю (82,58%) имеют три элемента: кислород, кремний и алюминий (табл. 1.1). Девять химических элементов, представленных в табл. 1.1, в сумме составляют 98,13% массы всей земной коры.

Минералы – твёрдые тела, относительно однородные по составу и свойствам, возникшие в результате природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в глубинах Земли. Известно более 3000 минералов, из них всего лишь 40-50 являются породообразующими.

Таблица 1.1        Химический состав земной коры

Наименование химического элемента	Обозначение	Содержание в земной коре, (%)
Кислород	O	49,13
Кремний	Si	26,0
Алюминий	Al	7,45
Железо	Fe	4,2
Кальций	Ca	3,25
Натрий	Na	2,4
Калий	K	2,35
Магний	Mg	2,35
Водород	H	1,0
Прочие	1,87

Горные породы делят на три класса: магматические, осадочные и метаморфические.

Рисунок 1.1. Схема формирования минералов и горных пород

Магматические горные породы образовались в результате кристаллизации или затвердевания магмы как на глубине, как внутри земной коры, так и на ее поверхности. Породы, образовавшиеся внутри земной коры, называются интрузивными. Они обладают полнокристаллической структурой и чаще всего массивной текстурой. Излившаяся на поверхность, остывшая и затвердевшая магма образует эффузивные горные породы. Их структура – стекловатая и сравнительно редко – полнокристаллическая. Текстура обычно флюидальная (со следами течения) или же миндалекаменная. К магматическим горным породам относятся граниты, сиениты, диабазы, базальты, габбро, порфиры, андезиты и ряд других. Эти породы используются как строительные (туфы, лабрадориты и др.), абразивные (пемза) и теплоизоляционные (пемза, перлит) материалы, как сырьё для извлечения ценных компонентов (например, алюминия из нефелиновых сиенитов). С кислыми магматическими породами связаны руды олова, вольфрама, золота; с основными – титаномагнетит, медные руды, исландский шпат; с ультраосновными – руды хрома, платины, никеля, а со щелочно-ультраосновными – руды титана, фосфора, циркония, редкоземельных элементов.

Метаморфические горные породы образовались из магматических и осадочных пород при воздействии на них высокой температуры, давления и химически активных растворов. В результате такого воздействия в недрах литосферы изменяется минеральный состав, размер и текстура пород. Каждый минерал переходит в иное соединение, иной материал, устойчивый при новых условиях. Так, глины преобразовываются в глинистые сланцы, а последние превращаются в различные роговики; известняки переходят в мрамор, песчаники в кварциты. Метаморфические горные породы могут иметь сланцеватую или полосчатую текстуру (сланцы, гнейсы), а также массивную (мраморы, кварциты, роговики).

Осадочные горные породы образовались путём осаждения частиц вещества в водной среде или из воздуха, а также в результате деятельности ледников и вулканов. Источником вещества для образования осадочных пород служат продукты выветривания магматических, метаморфических и более древних осадочных пород; растворённые в природных водах компоненты; газы и различные вещества, возникающие в результате жизнедеятельности организмов; вулканогенный материал, выбрасываемый при извержении вулканов; органические остатки растительного и животного происхождения. Осадочные горные породы образуют пласты, слои, линзы и другие геологические тела. Для большинства этих пород характерна слоистая текстура. Их строение представлено в виде налегающих один на другой слоев, различающихся минеральным составом, цветом и физико-механическими свойствами. По слоистости горные породы классифицируются на пять типов. Способность пород расслаиваться при ведении горных работ оказывает существенное влияние на устойчивость и характер обрушения пород в очистном забое. Чем меньше связь между слоями и чем тоньше эти слои, тем легче они обрушаются. Чем толще слои, на которые расслаивается порода, тем труднее они прогибаются и тем большими участками они обрушаются. Наибольшее расслоение пород отмечается при наличии сплошных прослоек глинистого, углистого и слюдистого материала, а также при наслоении растительных остатков. В зависимости от состава и генезиса осадочные горные породы делятся на механические или обломочные (пески, песчаники, гравий, щебень, глины);  химические осадки, образующиеся при выпадении из растворов (каменная соль, гипс, ангидрит, бораты, барит, руды железа, марганца, бокситы), а также некоторых цветных и редких металлов (медь, молибден, ванадий, уран); органогенные, образовавшиеся вследствие жизнедеятельности организмов (известняки, уголь, горючие сланцы, трепел, фосфориты, а также некоторые железные и марганцевые руды).

Свыше 75% всех полезных ископаемых, извлекаемых из недр Земли, заключено в осадочных горных породах.

Вопросы для самоконтроля

По каким признакам классифицируется технология горного производства? Какие термины используются при моделировании технологии подземной разработки? Какие типы технологии подземной разработки применяются в горном производстве? Что отражает функциональную структуру взаимосвязи между подсистемами системы подземной разработки месторождений? Из каких частей состоит внутреннее строение Земли? Из каких основных химических элементов состоит земная кора? Что представляют собой массивы горных пород? Назовите их первичные и вторичные структурные формы. Что является границами породных массивов и определяет их блочность? По какому морфологическому признаку характеризуются горные породы? Какая существует классификация горных пород по слоистости? Из каких стадий состоит процесс углеобразования? Из каких частей состоит вещественный состав ископаемых углей? Какое значение имеет петрографический состав углей для ведения горных работ и последующего использования в промышленности?